碎石桩法在路基冻害防治中的试验研究

陈泓予

摘要：目前关于路基冻害的防治方法已经有很多，但是由于产生冻害的土质、温度和水三个重要因素难于控制，特别是近几年极端气候的出现，大大的增加了路基防冻害的难度，包括排水法、更换路基填料等方法均不能满足路基冻胀防治的要求。本试验基于锦承线76k+500处路基冻胀的实际情况，将实际路基缩小为箱体模型，在模型中埋入横向的碎石桩以阻断毛细水的上升，同时还起到路基排水的作用以及增强路面的整体稳定性。模型试验结果表明，在箱体中铺设一定量的碎石桩，会起到明显的阻隔地下水上升的作用，而且会增强路基的整体稳定性。将该试验结果，应用到此段路基冻害的解决中，会起到明显的效果。为分布广泛的路堑冻土路基的冻害问题解决提供了新的思路与方法，具有极其广泛的应用前景。

关键词：冻土；路基；碎石桩；冻害

中图分类号：U213文献标识码： A

引言

随着经济发展以及气候环境的变化，特别是近年极端气候的频繁出现，大量的已建、新建铁路路基将面临季节冻土区带来的冻胀与融沉等路基冻害。目前关于冻土路基的病害主要为冻胀、融沉、纵裂、波浪、横裂、扭曲、反拱等。近年来有许多学者对冻土的防治做了研究其中郭奕清对于冻土地区路基的主要病害分析与防治措施进行了研究；任国华对路基冻害成因及治理方法进行了探讨；王正秋研究了粒度成分对细砂冻胀性的影响；周有才探讨了中粗砂换填地基的防冻害效果；卞晓琳;何平;施烨辉对于土体冻胀与地下水关系做了大量研究；周景明;李新宇;王世杰;对于多年冻土地区的路基施工做了研究；扈长龙;马玉龙;研究了季冻区冻胀成因及防治措施；田亚护;温立光;刘建坤;对于季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因进行了分析；贾振忠研究了辽西地区路基冻害防治措施；庞国良探讨了季节冻土最大冻深的问题；国际学者Peter Shipton;Iain James等也对冻土防治问题做了研究。

总之对于冻土的防治与治理应该也必须得到社会广泛的研究与关注，而且目前可以将防治道路冻害的措施可以归纳为以下几类：（1）采用非冻害材料换填冻害土的“置换法”；（2）在路基中设置隔温层，提

基金项目：国家大学生创新性实验计划项目“微结构优化砂垫层防治风积土路基冻害的试验研究”（编号：091014725）资助。

高冻害土的温度，减少冻害的“隔温法”；（3）在冻胀土中掺入石灰和水泥，改变其冻结性质，降低冻结温度的“稳定处理法”。（4）利用没有毛细作用的大粒径颗粒土或者隔水材料的“隔水法”。当前主要采用难以引起冻害作用的粗颗粒材料，在预想的冻深范围内换填冻害土的置换法。

本试验针对锦州至承德铁路76K+500m里程附近的冻害，已经严重威胁到列车行车安全的这一事实。并依据现场路基土体的实际水文地质情况，得到地下水位偏高，毛细水上升是导致土体产生严重冻害的主要原因，因此切断水分上升通道，阻断水源的补给是一个行之有效的措施。本实验最终决定采用在已建的路基中埋设横向碎石桩法来解决路基的冻胀问题。并通过室内试验验证了该方法的可行性。试验将路基简化为箱体模型，并在其中按不同的间距和不同桩直径来测定其水分迁移情况，以此最终确定能够起到隔水作用的最合适间距与最合适桩径。

1 工程实例

锦承线76K+500m位于阜新市新邱区。新邱区位于辽宁西部，阜新市中心东北端14km处，区中心地理坐标为东经121°1′~122°56＇，北纬41°41＇~42°56＇。与市中心相隔阜新蒙古族自治县县城，西南与细河区水泉镇接壤，南与阜新蒙古族自治县大板乡接壤，北与阜新蒙古族自治县他本扎兰乡交界，东与阜新蒙古族自治县沙拉镇相连。锦承线76K+500m里程附近冻害最为严重，历史最大冻胀量达30mm，已经严重威胁到行车安全。该地区土体的基本物理力学指标见表1。

表176K+500m处路基土基本物理力学指标

Tab.176K + 500m in basic physics and mechanics index of soil

土样编号 含水量/% 密度/g/cm3 压缩模量E1-2/MPa 塑限/% 17mm液限/% 粘聚力C/kPa 摩擦角φ/(°)

1 17.9 2.28 5.68 16.89 22.07 -4.915 33.90

2 17.7 2.13

3 20.2 1.88

2 试验简介

依据路堤的实际填土情况，首先按高度比为1:2制作试验用箱体，箱体尺寸为150cm(长)×50cm（宽）×80cm（高），在箱体底部布设地下水模拟补给通道，即箱体两边各布设3个进水阀，实物图见图1。

图1 箱体实物图

Fig.1Cabinet. Real

图2 横向碎石桩布设图

Fig.2Transverse gravel pile map

然后依据锦承线下线k39+780m处的铁路路基的实际情况布设土层。箱体中下层土体约15cm，之后设置不同间距和不同直径的碎石梁，见图2。

通过测量同一直径所对应的不同间距时不同深度处含水量的变化量来确定碎石梁的最佳间距和最佳直径。其间距和直径如表2，实物图见图3。

表2 横向碎石桩参数

Tab.2Transverse gravel pile parameters

直径/cm 间距/cm

15 20 25 30

20 25 30 35

25 30 35 40

通过距箱底高10cm的地方插入进水管，向其中注水并控制其水位依次为10cm，12cm，15cm，20cm。

碎石桩图（a）碎石桩图（b）

埋入后碎石桩图（a）埋入后碎石桩图（b）

图3 横向碎石桩实物布设图

Fig.3transverse gravel pile physical layout diagram

3 结果分析

通过测量不同直径、不同间距的横向碎石桩的阻水效果，绘制出含水量随深度的变化图像（结果见图4至6）。

图4 含水量随深度的变化 图5 含水量随深度的变化

该组试验水位依次设定为10cm，12cm，15cm，20cm，测定5cm，15cm，25cm不同深度处测定含水量。直径为15cm，间距25cm。

该组试验水位依次设定为10cm，15cm，20cm，25cm，30cm，35cm测定5cm，15cm，25cm，35cm，45cm和50cm深度处测定含水量。直径为20cm，间距30cm。

图6 含水量随深度的变化

Fig.6moisture change with depth

该组试验水位依次设定为10cm，15cm，20cm，30cm，测定5cm，15cm，25cm，35cm，45cm和50cm深度处测定含水量。直径为25cm，间距35cm。

试验结果表明，横向碎石桩具有明显的阻断毛细水上升的效果。随着桩间距的减小和桩径的增大，地下水上升程度减小。从试验结果即实际工程操作的难易程度来看，桩的直径为20cm，间距为30cm效果较好。桩的直径过大，不利于工程施工，且对于地下水位上升的阻碍效果增加的不是很理想（对比图5与6可以看出）；桩的直径过小，虽然施工方便，但阻水效果不明显（对比图4与5可以看出）。

虽然横向碎石桩的阻止毛细水上升的效果得到了确认，但对于土体冻结过程中的分凝作用是否也有效，或者说所研究的土体分凝作用是否明显，仍需要冻土试验进一步验证。试验结果见图7、图8

图7 温度与冻结高度的变化关系图图8温度该变量与冻结变化量的关系

Fig.7 temperature and freeze the relationship chartFig. 8 temperature changes with the variables of frozen

本试验的实验结果是土体中铺设五根直径为分别为15cm,20cm，25cm间距分别为25cm,35cm,45cm碎石梁时的结果。根据以上实验结果分析，可知碎石梁上层土体的冻胀量较下层土体的冻胀量有较大的减小，此试验结果符合设计试验结果。因此在实际工程当中可以采用在路基中增加碎石梁的办法，阻止毛细水的上升，减小表层土体的冻胀量。

4 结论

(1) 在路基土体中按一定间距布设横向碎石桩，能有效阻断地下水位的上升，从而可以显著的控制土体冻害程度，同时能够提高路基的承载力。在现有路基防冻害处理中，这是一种切实可行的工程措施。

(2)为确定切实可行的工程措施，研究了土体的强度及冻融特性与横向碎石桩布设尺寸之间的关系。本试验结果建议桩的直径为20cm，间距为30cm效果较好。但考虑到模型的尺寸效应，建议在实际施工中将此直径和间距适当扩大。

参考文献

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